Принцип работы частотомера на микроконтроллере. Самодельный частотомер на ATTINY2313

Частотомер - полезный прибор в лаборатории радиолюбителя (особенно, при отсутствии осциллографа). Кроме частотомера лично мне часто недоставало тестера кварцевых резонаторов - слишком много стало приходить брака из Китая. Не раз случалось такое, что собираешь устройство, программируешь микроконтроллер, записываешь фьюзы, чтобы он тактировался от внешнего кварца и всё - после записи фьюзов программатор перестаёт видеть МК. Причина - "битый" кварц, реже - "глючный" микроконтроллер (или заботливо перемаркированый китайцами с добавлением, например, буквы “А" на конце). И таких неисправных кварцев мне попадалось до 5% из партии. Кстати, достаточно известный китайский набор частотомера с тестером кварцев на PIC-микроконтроллере и светодиодном дисплее с Алиэкспресса мне категорически не понравился, т.к. часто вместо частоты показывал то ли погоду в Зимбабве, то ли частоты "неинтересных" гармоник (ну или это мне не повезло).

В данной статье я хотел бы вас познакомить с "самоделкой выходного дня" - частотомером на уже "легендарном" микроконтроллере ATmega8. Данный прибор не позиционируется как "лучший" по параметрам, да и схемотехника не претендует на оригинальность. Единственное его отличие от большинства конструкций, которое можно найти в сети - повышенная точность в диапазоне низких частот (1 - 1000Гц). Это достигается за счет различного подхода при измерении НЧ и СЧ с ВЧ. При измерении НЧ производится подсчет количества тактов микроконтроллера за некоторое количество импульсов на входе прибора. А при измерении СЧ и ВЧ, традиционно считается количество импульсов за определенный промежуток времени.

Характеристики частотомера:

• Диапазон частот с погрешностью измерения +/- 1Гц: 1000Гц - 1МГц (при погрешности +/- 20-200Гц, [> частота, > погрешность] возможно измерение частот до 10МГц без предделителя).
• Напряжение питания: 5В
• Потребляемый ток: <50мА
• Время измерения: 1с (1кГц - 1МГц) и до 10с (1Гц - 1кГц).
• Точность: 4 знака после запятой (1 - 10Гц), 3 знака после запятой (10 - 100Гц), 2 знака после запятой (100 - 1000Гц), целое число (> 1кГц).
• Время индикации: 3с

Проект был собран и протестирован в , а после и "в живую". Для создания прошивки использовался компилятор avr-gcc (он же ).

Основа схемы, как уже говорилось, микроконтроллер ATmega8. Отображение данных производится на семисегментном светодиодным (не обязательно) индикаторе на 8 знакомест с общим анодом. В моем случае был использован малогабаритный индикатор, соответственно и печатная плата была разработана небольших размеров. На схеме, как вы видите, есть контакты для подключения кнопки (J7, J8), но это "на будущее", и в данным момент они не используются. Для тактирования микроконтроллера применен кварцевый резонатор на 16МГц. Светодиод D1 отображает действия прибора - при цикле измерения он включается. Измерение длится 1 секунду. После пауза в 3 секунды, а потом снова измерение и т.д.

Для индикаторов с общим катодом необходимо следующим образом изменить транзисторные ключи:

Кроме этого, потребуется подправить программу.

В заголовочном файле "display7seg_lib.h " необходимо эту строку:

#define OK

Заменить на

#define OA

А затем рекомпилировать проект.

К слову, библиотеку для семисегментного индикатора я делал не только для этого проекта, и возможно она вам пригодится, так как имеет несколько полезных функций (к примеру, вывод строки).

Для измерения частоты, как уже упоминалось выше, в устройстве используются два метода: счет тактов микроконтроллера за кол-во импульсов и счет поступающих на вход прибора импульсов за определенное время.

Порядок измерения следующий:

1. Производится измерение частоты посредством счета импульсов на ходе
2. Если количество импульсов более тысячи (частота более одного килогерца), то результат выводится на дисплей а устройство ожидает 1 секунду и повторяет измерение
3. Если же количество импульсов менее тысячи, то происходит дополнительно сравнение. В том случае, когда частота менее 10Гц, производится счет тактов на протяжении 20 импульсов на входе (10 < 100Гц - 10 импульсов и 100 < 1000Гц - 2 импульса). За счет этого и удается получить маленькую погрешность при измерении.

В обоих вариантах измерения частоты подсчет импульсов или тактов производится таймером Т0, так как Т1 более предпочтительно применять для определения временных промежутков с высокой точностью, чем он собственно в программе и занимается. Таймер Т2 отвечает за индикацию. При его переполнении срабатывает прерывание, в котором на светодиодный индикатор выводится 1 символ. Так как частота прерываний довольно высока, человеческий глаз не успевает уследить за сменой состояний на индикаторе и картинка воспринимается как цельная, хоть переключение знакомест происходит по очереди.

Печатная плата устройства выполнена на двухстороннем фольгированном материале. Основная сложность при ее изготовлении - развести дорожки для ножек микроконтроллера. Впрочем, если вы используете технологию или проблем с этим пунктом у вас возникнуть не должно.

Лицевая сторона:

Обратная сторона:

Расположение элементов:

Варианты замены деталей

Резисторы R1 - R8, R14 желательно использовать в диапазоне 220 - 680 Ом. Меньшего номинала брать очень нежелательно (у микроконтроллера не такая высокая нагрузочная способность на портах), а больше нет смысла так как яркость индикатора и светодиода будет крайне низкой. Конденсаторы C2 и C3 можно взять 18 - 33пФ. Конденсатор для предотвращения помех по питанию, под номером C1, желательно использовать емкостью 0,068 - 0,47мкФ. Резисторы R9 - R16 можно взять 1 - 4.7кОм.Транзисторы Q1 - Q8 заменяются на КТ315 или КТ3102, но подойдут и любые другие маломощные кремниевые структуры n-p-n. Микроконтроллер можно применить и в DIP корпусе, но придется заново разводить плату.

Небольшое послесловие

В данном приборе мной было решено вынести блок формирователя импульсов за пределы основной платы (к примеру, в виде выносного пробника).

Самый простой вариант - использовать компаратор или ОУ в режиме масштабного усиления (показано ниже) . Выгодная сторона - малый порог по напряжению. Недостаток же данной схемы - очень скромный предел по частоте. При использовании популярного ОУ LM358, максимальная частота не превышает 100кГц. Но для наладки, к примеру, звуковой аппаратуры и различных устройств, работающих на небольших частотах вполне сгодится.

Еще один вариант - использование транзистора и логического элемента, к примеру, КТ3102 + 74LS13 (шустрый аналог нашей К155ТЛ1). Этот вариант вполне жизнеспособен и на высоких частотах.

Так же схемы формирователей можно найти в интернете, главный критерий - комплиментарность с высоким и низким логическим уровнем КМОП-логики.

В архиве, прикрепленном к статье, есть файлы прошивки и для схемы с ОА так и с ОК. В прочем, как и сами схемы и печатные платы (смотрите в проектах Proteus).

Удачи вам в сборке ваших устройств

Список радиоэлементов

Конструктивно прибор состоит из дисплея, образованного семью 7-сегментными светодиодными индикаторами, микроконтроллера и нескольких транзисторов и резисторов. Микроконтроллер выполняет все необходимые функции, поэтому применение каких-либо дополнительных микросхем не требуется.

Принципиальная схема прибора достаточно проста и изображена на Рисунке 2. Проект в формате Eagle (принципиальная схема и печатная плата) доступен для скачивания в секции загрузок.

Выполняемые микроконтроллером задачи просты и очевидны: подсчет количества импульсов на входе за 1 секунду и отображение результата на 7-разрядном индикаторе. Самый важный момент здесь - это точность задающего генератора (временная база), которая обеспечивается встроенным 16-разрядным таймером Timer1 в режиме очистки по совпадению (CTC mode). Второй, 8-разрядный, таймер-счетчик работает в режиме подсчета количества импульсов на своем входе T0. Каждые 256 импульсов вызывают прерывание, обработчик которого инкрементирует значение коэффициента. Когда с помощью 16-разрядного таймера достигается длительность 1 с, происходит прерывание, но в этом случае в обработчике прерывания коэффициент умножается на 256 (сдвиг влево на 8 бит). Остальное количество импульсов, зарегестрированное счетчиком, добавляется к результату умножения. Полученное значение затем разбивается на отдельные цифры, которые отображаются на отдельном индикаторе в соответствующем разряде. После этого, непосредственно перед выходом из обработчика прерывания, оба счетчика одновременно сбрасываются и цикл измерения повторяется. В «свободное время» микроконтроллер занимается выводом информации на индикатор методом мультиплексирования. В исходном коде программы микроконтроллера автор дал дополнительные комментарии, которые помогут детально разобраться в алгоритме работы микроконтроллера.

Разрешение и точность измерений

Точность измерений зависит от источника тактовой частоты для микроконтроллера. Сам по себе программный код может вносить погрешность (добавление одного импульса) на высоких частотах, но это практически не влияет на результат измерений. Кварцевый резонатор, который используется в приборе, должен быть хорошего качества и иметь минимальную погрешность. Наилучшим выбором будет резонатор, частота которого делится на 1024, например 16 МГц или 22.1184 МГц. Чтобы получить диапазон измерения до 10 МГц необходимо использовать кварцевый резонатор на частоту 21 МГц и выше (для 16 МГц, как на схеме, диапазон измерений становится немного ниже 8 МГц). Кварцевый резонатор на частоту 22.1184 МГц идеально подходит для нашего прибора, однако приобретение именно такого с минимальной погрешностью для многих радиолюбителей будет сложной задачей. В таком случае можно использовать кварцевый резонатор на другую частоту (например, 25 МГц), но необходимо выполнить процедуру калибровки задающего генератора с помощью осциллографа с поддержкой аппаратных измерений и подстроечного конденсатора в цепи кварцевого резонатора (Рисунок 3, 4).

В секции загрузок доступны для скачивания несколько вариантов прошивок для различных кварцевых резонаторов, но пользователи могут скомпилировать прошивку под имеющийся кварцевый резонатор самостоятельно (см. комментарии в исходном коде).

Входной сигнал

В общем случае на вход прибора может подаваться сигнал любой формы с амплитудой 0 … 5 В, а не только прямоугольные импульсы. Можно подавать синусоидальный или треугольный сигнал; импульс определяется по спадающему фронту на уровне 0.8 В. Обратите внимание: вход частотомера не защищен от высокого напряжения и не подтянут к питанию, это вход с высоким сопротивлением, не нагружающим исследуемую цепь. Диапазон измерений может быть расширен до 100 МГц с разрешением 10 Гц, если применить на входе соответствующий высокоскоростной делитель частоты.

Дисплей

В приборе в качестве дисплея используются семь светодиодных 7-сегментных индикаторов с общим анодом. Если яркость свечения индикаторов будет недостаточной, можно изменить номинал резисторов, ограничивающих ток через сегменты. Однако не забывайте, что величина импульсного тока для каждого вывода микроконтроллера не должна превышать 40 мА (индикаторы тоже имеют свой рабочий ток, о его величине не стоит забывать). На схеме автор указал номинал этих резисторов 100 Ом. Незначимые нули при отображении результата измерения гасятся, что делает считывание показаний более комфортным.

Печатная плата

Двухсторонняя печатная плата имеет размеры 109 × 23 мм. В бесплатной версии среды проектирования печатных плат Eagle в библиотеке компонентов отсутствуют семисегментные светодиодные индикаторы, поэтому они были нарисованы автором вручную. Как видно на фотографиях (Рисунки 5, 6, 7) авторского варианта печатной платы, дополнительно необходимо выполнить несколько соединений монтажным проводом. Одно соединение на лицевой стороне платы - питание на вывод Vcc микроконтроллера (через отверстие в плате). Еще два соединения на нижней стороне платы, которые используются для подключения выводов сегмента десятичной точки индикаторов в 4 и 7 разряде через резисторы 330 Ом на «землю». Для внутрисхемного программирования микроконтроллера автор использовал 6-выводный разъем (на схеме это разъем изображен в виде составного JP3 и JP4), расположенный в верхней части печатной платы. Этот разъем не обязательно припаивать к плате, микроконтроллер можно запрограммировать любым доступным способом.

Загрузки

Принципиальная схема и рисунок печтаной платы, исходный код и прошивки микроконтроллера -

Данный прибор предназначен для измерения частоты в пределах 0-9999 Гц, но при использовании делителя частоты на входе этот диапазон соответствующим образом расширяется. Максимальное входное напряжение – 3V, при условии, что отсутствует дополнительный делитель напряжения, минимальное 0,15V, так же при условии что он отсутствует. Максимальную частоту измерения можно расширить посредством изменения программного кода, но об этом позже.

Схема прибора относительно простая и изображена ниже:

В основе схемы – 8-ми битный микроконтроллер производства фирмы Atmel , Atmega8A-PU. Для тактирования ядра микроконтроллера применен генератор с внешним кварцевым резонатором. Выбор такого генератора обусловлен требованиями к стабильности частоты последнего. В качестве индикатора применен семисегментный четырехразрядный LED индикатор с общим анодом и динамической индикацией. Ток сегментов индикатора не ограничивается резисторами, так как применена динамическая индикация, и естественно ток импульсный, который сегменты индикатора с успехом выдерживают, так как и порт микроконтроллера. Входной узел выполнен на элементах R2, D1, D2, C3, R3, R4, R1, Q1. Этот узел обеспечивает усиление/ограничение сигналов, поступающих на его вход (резистор и диоды на входе частотомера ограничивают входной сигнал, транзистор отвечает за усиление сигнала до ТТЛ уровня). Печатная плата устройства так же не сложная. Она изготавливается из одностороннего фольгированного материала (изначально планировалось сделать из двухстороннего, но в наличии его не нашлось, поэтому остановился на односторонней). Топология платы представлена ниже.

Что касается программы для микроконтроллера, то она была разработана в среде Flowcode (файл проекта прилагается). Для подсчета импульсов я использовал прерывания по входу INT0 микроконтроллера, а для ограничения времени счета – прерывания таймера TMR0. Так как на этом таймере стоит предделитель с коэффициентом деления 1/256 (в силу того что он восьмиразрядный), то расчет частоты прерываний производится так:Fпрер.=F ген.÷256÷поргр. дел. В своей конструкции я выбрал частоту прерываний в 200 Гц. Как я уже писал выше, частоту измерения можно увеличить. Для этого нужно лишь ограничить время измерения. Это делается посредством изменения числа 200 на 2(время измерения не 1с а 10мс, граничная частота 99 999Гц), в коде, как показано на рисунке в исходнике на С.

Для программирования микроконтроллера я использовал параллельный программатор. Как видите, в моей конструкции вывод внешнего сброса используется как обычный порт. Если у вас нет параллельного программатора, то вот вариант схемы, где используется порт D микроконтроллера, и необходимость в использовании пина RESET как обычного порта вывода отпадает.

Вот пример выставления фузов в программе PonyProg2000 :

Вот схема варианта частотомера с использование RESET по прямому назначению:

А так же вот топология платы для второго варианта схемы:

Для питания схемы используется стабилизированный источник питания на напряжения 5V (я использовал компьютерный БП, поэтому никаких стабилизирующих элементов в схеме нет).

В данной схеме нет дефицитных деталей, но список замен и аналогов все же перечислю. Так микроконтроллер Atmega8A-PU можно заменить на аналогичный Atmega8-16PU (кстати, последний более предпочтителен). Резисторы можно взять на мощность 0,125 Вт, за исключением R2, его лучше взять на 0,5 Вт. Конденсаторы – для генератора дисковые, керамические, а для входного блока – любой, подходящий по параметрам. Транзистор можно заменить на отечественный КТ3102 (как показали опыты у КТ315 слишком мал коэффициент передачи тока h21Э). Светодиодный индикатор можно взять любой, подходящий по размерам (а они не критичны). Кварцевый резонатор использован на частоту 3267800Гц (3,2768МГц).

Фотографии готового устройства показаны ниже.

На первом фото видно резистор, который подключен к питу RESET МК (остался с проверки второй прошивки, со сбросом).

На разработку конструкции толкнуло прочитанное на форуме по DDS замечание, что должны бы существовать и другие высокочастотные делители кроме серий 193 и 500, а также своевременно увиденная схема нового синтезатора для FM2006. После экспериментов родился простой частотомер на микросхемах LMX 2306, ATtiny 2313 и знакосинтезирующим жидкокристаллическом индикаторе BC 1602 со следующими характеристиками:

• Диапазон измеряемых частот от 300 Гц до 450 МГц
• Чувствительность от 50 мВ до 200 мВ
• Минимальный шаг измерения:
• В диапазоне от 300 Гц до 4,5МГц 1 Гц
• В диапазоне от 4,5 МГц до 80 МГц 25 Гц
• В диапазоне от 80 МГц до 450 МГц 100 Гц
• Время измерения 0,1 сек / 1 сек
• Точность измерения не хуже 0,007%
• Напряжение питания 9В…15В
• Ток потребления (без подсветки индикатора) 20 мА

Описание и настройка схемы (рис.1 ).

Сигнал со входа F поступает на усилительный каскад на транзисторе VT1 с которого расходится на программируемый высокочастотный делитель, входящий в состав микросхемы DD1, а также на движковый переключатель SA1, которым выбирается диапазон измерения (до 4,5МГц / выше 4,5 МГц). Далее сигнал дополнительно усиливается и поступает на микросхему DD2, которая выполняет счет частоты, вывод данных на ЖКИ и управление микросхемой DD1. Питание схемы обеспечивает стабилизатор DA1.

Переключателем SA2 выбирается время счета и соответственно точность измерения. Кнопкой SB1 проводят калибровку частотомера. Для этого на вход F подают образцовую частоту 1 МГц и нажав на SB1 удерживают ее до получения на дисплее ЖКИ показаний максимально близких к 1 МГц. В дальнейшем калибровку можно не проводить.

Также можно использовать стандартную процедуру настройки, подав на вход F любую образцовую частоту и подбором C9 и C10 добиться нужных показаний ЖКИ.

Цепочка D1, R5, R6, C7 совместно с каскадом на транзисторе VT2 расширяет выходящие с микросхемы DD1 импульсы. При подаче на вход F максимально возможной частоты, но не более 450 МГц, подбором резистора R5 добиваются устойчивых показаний ЖКИ (если осциллограф подключить к 9 ножке DD2 – должно быть что-то близкое к меандру). Конденсатор C7 в собранной нами конструкции переместился на коллектор VT2.

Разъем Prog служит для внутрисхемного программирования ATtiny 2313. Если же микросхема будет прошита в программаторе, то разъем не впаивается. Микросхему лучше установить в панельку.

Детали.

Постоянные резисторы и керамические конденсаторы типоразмера 0805 (поверхностный монтаж). Транзистор VT1 КТ368 заменим на КТ399, VT2 КТ368 – на менее высокочастотный КТ315 (с корректировкой платы). Микросхема DD2 ATtiny 2313-20 (с тактовой частотой до 20 МГц) в DIP корпусе установлена со стороны печатных проводников. DA1 (устанавливается также со стороны печати) - любой 5-ти вольтовый стабилизатор с током более 1 А, но если не использовать подсветку ЖКИ, то можно применить и слаботочный 78L05. Кварцевый резонатор Q1 – 11,0592 МГц в любом исполнении. Переключатели SA1 и SA2 – B1561(DPDT) или SS21 с длиной рычажка более 5 мм. Кнопка тактовая SB1 – TS-A1PS (TS-A2PS, TS-A3PS, TS-A4PS, TS-A6PS). Индикатор BC1602 или BC1601, BC1604, а также подобный с контроллером HD-44780 других фирм изготовителей. Проверять соответствие выводов обязательно! Диод VD2 1N4007 заменим на любой с подходящим рабочим током. Разъем питания – серии AUB 3,5 мм стерео или подобный с некоторой корректировкой платы. Для подачи питания используется любой маломощный сетевой адаптер с подходящим напряжением. Сигнал на плату подается по одножильному проводу диаметром примерно 0,8 мм и длиной 5-8 см.

Можно исключить из схемы C4, R4 и переключатель SA1, подключив C8 перемычкой к базе VT2. 6 ножка DD2 должна висеть в воздухе. В таком варианте нижней граничной частотой становится 1,5 МГц.

Печатная плата разведена в Sprint-Layout и изготовлена из одностороннего фольгированного стеклотекстолита (рис. 2 ).